Питание диодов. Бестрансформаторная понижающая топология. Применение импульсного конвертера в качестве стабилизатора тока

Статья-ликбез по стабилизаторам тока светодиодов и не только. Рассматриваются схемы линейных и импульсных стабилизаторов тока.

Стабилизатор тока для светодиода устанавливается во многие конструкции светильников. Светодиоды, как и все диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Это означает, что при изменении напряжения на светодиоде, ток изменяется непропорционально. По мере увеличения напряжения, сначала ток растёт очень медленно, светодиод при этом не светится. Затем, при достижении порогового напряжения, светодиод начинает светиться и ток возрастает очень быстро. При дальнейшем увеличении напряжения, ток возрастает катастрофически и светодиод сгорает.

Пороговое напряжение указывается в характеристиках светодиодов, как прямое напряжение при номинальном токе. Номинальный ток для большинства маломощных светодиодов - 20 мА. Для мощных светодиодов освещения, номинальный ток может быть больше - 350 мА или более. Кстати, мощные светодиоды выделяют тепло и должны быть установлены на теплоотвод.

Для правильной работы светодиода, его надо питать через стабилизатор тока. Зачем? Дело в том, что пороговое напряжение светодиода имеет разброс. Разные типы светодиодов имеют разное прямое напряжение, даже однотипные светодиоды имеют разное прямое напряжение - это указано в характеристиках светодиода как минимальное и максимальное значения. Следовательно, два светодиода, подключенные к одному источнику напряжения по параллельной схеме будут пропускать разный ток. Этот ток может быть настолько разным, что светодиод может раньше выйти из строя или сгореть сразу. Кроме того, стабилизатор напряжения также имеет дрейф параметров (от уровня первичного питания, от нагрузки, от температуры, просто по времени). Следовательно, включать светодиоды без устройств выравнивания тока - нежелательно. Различные способы выравнивания тока рассмотрены . В этой статье рассматриваются устройства, устанавливающие вполне определённый, заданный ток - стабилизаторы тока.

Типы стабилизаторов тока

Стабилизатор тока устанавливает заданный ток через светодиод вне зависимости от приложенного к схеме напряжения. При увеличении напряжения на схеме выше порогового уровня, ток достигает установленного значения и далее не изменяется. При дальнейшем увеличении общего напряжения, напряжение на светодиоде перестаёт меняться, а напряжение на стабилизаторе тока растёт.

Поскольку напряжение на светодиоде определяется его параметрами и в общем случае неизменно, то стабилизатор тока можно назвать также стабилизатором мощности светодиода. В простейшем случае, выделяемая устройством активная мощность (тепло) распределяется между светодиодом и стабилизатором пропорционально напряжению на них. Такой стабилизатор называется линейным. Также существуют более экономичные устройства - стабилизаторы тока на базе импульсного преобразователя (ключевого преобразователя или конвертера). Они называются импульсными, поскольку внутри себя прокачивают мощность порциями - импульсами по мере необходимости для потребителя. Правильный импульсный преобразователь потребляет мощность непрерывно, внутри себя передаёт её импульсами от входной цепи к выходной и выдаёт мощность в нагрузку уже опять непрерывно.

Линейный стабилизатор тока

Линейный стабилизатор тока греется тем больше, чем больше приложено к нему напряжение. Это его основной недостаток. Однако, он имеет ряд преимуществ, например:

Линейный стабилизатор не создаёт электромагнитных помех
Прост по конструкции
Имеет низкую стоимость в большинстве применений

Поскольку импульсный преобразователь не бывает абсолютно эффективным, существуют приложения, когда линейный стабилизатор имеет сравнимую или даже большую эффективность - когда входное напряжение лишь немного превышает напряжение на светодиоде. Кстати, при питании от сети, часто используется трансформатор, на выходе которого устанавливается линейный стабилизатор тока. То есть, сначала напряжение снижается до уровня, сравнимого с напряжением на светодиоде, а затем, с помощью линейного стабилизатора устанавливается необходимый ток.

В другом случае, можно приблизить напряжение светодиода к напряжению питания - соединить светодиоды в последовательную цепочку. Напряжение на цепочке будет равняться сумме напряжений на каждом светодиоде.

Схемы линейных стабилизаторов тока

Самая простая схема стабилизатора тока - на одном транзисторе (схема "а"). Поскольку транзистор - это усилитель тока, то его выходной ток (ток коллектора) больше тока управления (ток базы) в h 21 раз (коэффициент усиления). Ток базы можно установить с помощью батарейки и резистора, или с помощью стабилитрона и резистора (схема "б"). Однако такую схему трудно настраивать, полученный стабилизатор будет зависеть от температуры, кроме того, транзисторы имеют большой разброс параметров и при замене транзистора, ток придётся подбирать снова. Гораздо лучше работает схема с обратной связью "в" и "г". Резистор R в схеме выполняет роль обратной связи - при увеличении тока, напряжение на резисторе возрастает, тем самым запирает транзистор и ток снижается. Схема "г", при использовании однотипных транзисторов, имеет бóльшую температурную стабильность и возможность максимально уменьшить номинал резистора, что снижает минимальное напряжение стабилизатора и выделение мощности на резисторе R.

Стабилизатор тока можно выполнить на базе полевого транзистора с p-n переходом (схема "д"). Напряжение затвор-исток устанавливает ток стока. При нулевом напряжении затвор-исток, ток через транзистор равен начальному току стока, указанному в документации. Минимальное напряжение работы такого стабилизатора тока зависит от транзистора и достигает 3 вольт. Некоторые производители электронных компонентов выпускают специальные устройства - готовые стабилизаторы с фиксированным током, собранные по такой схеме - CRD (Current Regulating Devices) или CCR (Constant Current Regulator) . Некоторые называют его диодным стабилизатором, поскольку в обратном включении он работает как диод.

Компания On Semiconductor выпускает линейный стабилизатор серии NSIxxx, например , который имеет два вывода и для увеличения надежности, имеет отрицательный температурный коэффициент - при увеличении температуры, ток через светодиоды снижается.

Стабилизатор тока на базе импульсного преобразователя по конструкции очень похож на стабилизатор напряжения на базе импульсного преобразователя, но контролирует не напряжение на нагрузке, а ток через нагрузку. При снижении тока в нагрузке, он подкачивает мощность, при увеличении - снижает. Наиболее распространённые схемы импульсных преобразователей имеют в своём составе реактивный элемент - дроссель, который с помощью коммутатора (ключа) подкачивается порциями энергии от входной цепи (от входной ёмкости) и в свою очередь передаёт её нагрузке. Кроме очевидного преимущества экономии энергии, импульсные преобразователи обладают рядом недостатков, с которыми приходится бороться различными схемотехническими и конструктивными решениями:

Импульсный конвертер производит электрические и электромагнитные помехи
Имеет как правило сложную конструкцию
Не обладает абсолютной эффективностью, то есть тратит энергию для собственной работы и греется
Имеет чаще всего бóльшую стоимость, по сравнению, например, с трансформаторными плюс линейными устройствами

Поскольку экономия энергии во многих приложениях является решающей, разработчики компонентов, схемотехники стараются снизить влияние этих недостатков, и, зачастую, преуспевают в этом.

Схемы импульсных преобразователей

Поскольку стабилизатор тока основан на импульсном преобразователе, рассмотрим основные схемы импульсных преобразователей. Каждый импульсный преобразователь имеет ключ, элемент, который может находиться только в двух состояниях - включенном и выключенном. В выключенном состоянии, ключ не проводит ток и, соответственно, на нём не выделяется мощность. Во включенном состоянии, ключ проводит ток, но имеет очень малое сопротивление (в идеале - равное нулю), соответственно на нём выделяется мощность, близкая к нулю. Таким образом, ключ может передавать порции энергии от входной цепи к выходной практически без потерь мощности. Однако, вместо стабильного тока, какой можно получить от линейного источника питания, на выходе такого ключа будет импульсное напряжение и ток. Для того, чтобы получить снова стабильные напряжение и ток, можно поставить фильтр.

С помощью обычного RC фильтра можно получить результат, однако, эффективность такого преобразователя не будет лучше линейного, поскольку вся избыточная мощность выделится на активном сопротивлении резистора. Но если использовать вместо RC - LC фильтр (схема "б"), то, благодаря "специфическим" свойствам индуктивности, потерь мощности можно избежать. Индуктивность обладает полезным реактивным свойством - ток через неё возрастает постепенно, подаваемая на него электрическая энергия преобразуется в магнитную и накапливается в сердечнике. После выключения ключа, ток в индуктивности не пропадает, напряжение на индуктивности меняет полярность и продолжает заряжать выходной конденсатор, индуктивность становится источником тока через обводной диод D. Такая индуктивность, предназначенная для передачи мощности, называется дросселем. Ток в дросселе правильно работающего устройства присутствует постоянно - так называемый неразрывный режим или режим непрерывного тока (в западной литературе такой режим называется Constant Current Mode - CCM). При снижении тока нагрузки, напряжение на таком преобразователе возрастает, энергия, накапливаемая в дросселе снижается и устройство может перейти в разрывный режим работы, когда ток в дросселе становится прерывистым. При таком режиме работы резко повышается уровень помех, создаваемых устройством. Некоторые преобразователи работают в пограничном режиме, когда ток через дроссель приближается к нулю (в западной литературе такой режим называется Border Current Mode - BCM). В любом случае, через дроссель течет значительный постоянный ток, что приводит к намагничиванию сердечника, в связи с чем, дроссель выполняется особой конструкции - с разрывом или с использованием специальных магнитных материалов.

Стабилизатор на базе импульсного преобразователя имеет устройство, регулирующее работу ключа, в зависимости от нагрузки. Стабилизатор напряжения регистрирует напряжение на нагрузке и изменяет работу ключа (схема "а"). Стабилизатор тока измеряет ток через нагрузку, например с помощью маленького измерительного сопротивления Ri (схема "б"), включенного последовательно с нагрузкой.

Ключ преобразователя, в зависимости от сигнала регулятора, включается с различной скважностью. Есть два распространённых способа управления ключом - широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и токовый режим. В режиме ШИМ, сигнал ошибки управляет длительностью импульсов при сохранении частоты следования. В токовом режиме, измеряется пиковый ток в дросселе и изменяется интервал между импульсами.

В современных ключевых преобразователях в качестве ключа обычно используется MOSFET транзистор.

Понижающий преобразователь

Рассмотренный выше вариант преобразователя называется понижающим, поскольку напряжение на нагрузке всегда ниже напряжения источника питания.

Поскольку в дросселе постоянно течёт однонаправленный ток, требования к выходному конденсатору могут быть снижены, дроссель с выходным конденсатором играют роль эффективного LC фильтра. В некоторых схемах стабилизаторов тока, например для светодиодов, выходной конденсатор может отсутствовать вообще. В западной литературе понижающий преобразователь называется Buck converter.

Повышающий преобразователь

Схема импульсного стабилизатора, приведённая ниже, также работает на основе дросселя, однако дроссель всегда подключен к выходу источника питания. Когда ключ разомкнут, питание поступает через дроссель и диод на нагрузку. Когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС добавляется к ЭДС источника питания и напряжение на нагрузке возрастает.

В отличие от предыдущей схемы, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе повышающе-понижающий преобразователь называется Boost converter.

Инвертирующий преобразователь

Еще одна схема импульсного преобразователя работает аналогично - когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС будет иметь обратный знак и на нагрузке появится отрицательное напряжение.

Как и в предыдущей схеме, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе инвертирующий преобразователь называется Buck-Boost converter.

Прямоходовой и обратноходовой преобразователи

Наиболее часто блоки питания изготавливаются по схеме, использующей в своем составе трансформатор. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку вторичной цепи от источника питания, кроме того, эффективность блока питания на основе таких схем может достигать 98% и более. Прямоходовой преобразователь (схема "а") передаёт энергию от источника в нагрузку в момент включенного состояния ключа. Фактически - это модифицированный понижающий преобразователь. Обратноходовой преобразователь (схема "б") передаёт энергию от источника в нагрузку во время выключенного состояния.

В прямоходовом преобразователе трансформатор работает в обычном режиме и энергия накапливается в дросселе. Фактически - это генератор импульсов с LC фильтром на выходе. Обратноходовой преобразователь накапливает энергию в трансформаторе. То есть трансформатор совмещает свойства трансформатора и дросселя, что создаёт определённые сложности при выборе его конструкции.

В западной литературе прямоходовой преобразователь называется Forward converter. Обратноходовой - Flyback converter.

Применение импульсного конвертера в качестве стабилизатора тока

Большинство импульсных блоков питания выпускаются с стабилизацией выходного напряжения. Типичные схемы таких блоков питания, особенно мощных, кроме обратной связи по выходному напряжению, имеют схему контроля тока ключевого элемента, например резистор с малым сопротивлением. Такой контроль позволяет обеспечивать режим работы дросселя. Простейшие стабилизаторы тока используют этот элемент контроля для стабилизации выходного тока. Таким образом, стабилизатор тока оказывается даже проще стабилизатора напряжения.

Рассмотрим схему импульсного стабилизатора тока для светодиода на базе микросхемы от известного производителя электронных компонентов On Semiconductor:

Схема понижающего преобразователя работает в режиме неразрывного тока с внешним ключом. Схема выбрана из множества других, поскольку она показывает, насколько простой и эффективной может быть схема импульсного стабилизатора тока с внешним ключом. В приведённой схеме, управляющая микросхема IC1 управляет работой MOSFET ключа Q1. Поскольку преобразователь работает в режиме неразрывного тока, выходной конденсатор ставить необязательно. В многих схемах датчик тока устанавливается в цепи истока ключа, однако, это снижает скорость включения транзистора. В приведённой схеме датчик тока R4 установлен в цепи первичного питания, в результате схема получилась простой и эффективной. Ключ работает на частоте 700 кГц, что позволяет установить компактный дроссель. При выходной мощности 7 Ватт, входном напряжении 12 Вольт при работе на 700 мА (3 светодиода), эффективность устройства более 95%. Схема стабильно работает до 15 Ватт выходной мощности без применения дополнительных мер по отводу тепла.

Ещё более простая схема получается с использованием микросхем ключевых стабилизаторов с встроенным ключом. Например, схема ключевого стабилизатора тока светодиода на базе микросхемы /CAT4201:

Для работы устройства мощностью до 7 Ватт необходимо всего 8 компонентов, включая саму микросхему. Импульсный стабилизатор работает в пограничном режиме тока и для его работы требуется небольшой выходной керамический конденсатор. Резистор R3 необходим при питании от 24 Вольт и выше для снижения скорости нарастания входного напряжения, хотя это несколько снижает эффективность устройства. Частота работы превышает 200 кГц и меняется в зависимости от нагрузки и входного напряжения. Это обусловлено методом регулирования - контролем пикового тока дросселя. Когда ток достигает максимального значения, ключ размыкается, когда ток снижается до нуля - включается. Эффективность устройства достигает 94%.

Итак, ядром и главным компонентом светодиодной лампочки является светодиод. С точки зрения схемотехники светоизлучающие диоды ничем не отличаются от любых других, разве только тем, что в смысле применения их как собственно диодов они обладают ужасными параметрами – очень маленьким допустимым обратным напряжением, относительно большой емкостью перехода, огромным рабочим падением напряжения (порядка 3.5 В для белых светодиодов – например, для выпрямительного диода это был бы кошмар) и т.д.

Однако мы понимаем, что главная ценность светодиодов для человечества состоит в том, что они светятся, причем порой достаточно ярко. Чтобы светодиод светился долго и счастливо, ему необходимо два условия: стабильный ток через него и хороший теплоотвод от него. Качество теплоотвода обеспечивается различными конструкционными методами, потому сейчас мы не будем останавливаться на этом вопросе. Поговорим о том, зачем и как современное человечество достигает первой цели – стабильного тока.

К слову, о белых светодиодах

Понятное дело, что для освещения более всего интересны белые светодиоды. Делаются они на основе кристалла, излучающего синий свет, залитого люминофором, переизлучающим часть энергии в желто-зеленой области. На заглавной картинке хорошо видно, что токоведущие проволочки уходят в нечто желтое - это и есть люминофор; кристалл расположен под ним. На типичном спектре белого светодиода хорошо виден синий пик:

Спектры светодиодов с разными цветовыми температурами: 5000K (синий), 3700K (зеленый), 2600K (красный). Подробнее .

Мы уже разобрались, что в схемотехническом смысле светодиод отличается от любого другого диода только значениями параметров. Здесь надо сказать, что прибор это принципиально нелинейный; то есть, знакомому со школы закону Ома он совершенно не подчиняется. Зависимость тока от приложенного напряжения на таких устройствах описывается т.н. вольт-амперной характеристикой (ВАХ), причем для диода она носит экспоненциальный характер. Из этого следует, что самое незначительное изменение приложенного напряжения приводит к огромному изменению тока, но и это еще не все – при изменении температуры (а также старении) ВАХ смещается. Кроме этого, положение ВАХ слегка разное для разных диодов. Оговорю отдельно – не только для каждого типа, но для каждого экземпляра, даже из одной партии. По этой причине распределение тока через диоды, включенные параллельно, обязательно будет неравномерным, что не может хорошо сказаться на долговечности конструкции. При изготовлении матриц стараются либо использовать последовательное включение, что решает проблему в корне, либо выбирать диоды с примерно одинаковым прямым падением напряжения. Чтобы облегчить задачу, производители обычно указывают так называемый «бин» - код выборки по параметрам (по напряжению в том числе), в которую попадает конкретный экземпляр.

ВАХ белого светодиода.

Соответственно, чтобы все работало хорошо, светодиод необходимо подключать к устройству, которое вне зависимости от внешних факторов будет с высокой точностью автоматически подбирать такое напряжение, при котором в цепи протекает заданный ток (например, 350 мА для одноваттных светодиодов), причем контролировать процесс непрерывно. Вообще, такое устройство называется источником тока, но в случае светодиодов в наши дни модно употреблять заморское слово «драйвер». В целом, драйвером часто называют решения, главным образом предназначенные для работы в конкретном применении – например, «драйвер MOSFET» - микросхема, предназначенная для управления конкретно мощными полевыми транзисторами, «драйвер семисегментного индикатора» - решение для управления конкретно семисегментниками, и т.д. То есть, называя источник тока драйвером светодиодов, люди намекают, что этот источник тока по задумке предназначен именно для работы со светодиодами. Например, он может иметь специфичные функции – что-нибудь в духе наличия светового интерфейса DMX-512 , определения обрыва и короткого замыкания на выходе (а обычный источник тока, вообще, должен без проблем работать и на короткое замыкание), и т.п. Тем не менее, понятия часто путают, и, например, называют драйвером самый обычный адаптер (источник напряжения!) для светодиодных лент.

Кроме того, устройства, предназначенные для задания режима осветительного прибора, часто называют балластом.

Итак, источники тока. Самым простым источником тока может быть сопротивление, включенное последовательно со светодиодом. Так делают при малых мощностях (где-то до полуватта), например, в тех же светодиодных лентах. С увеличением мощности потери на резисторе становятся слишком велики, а требования к стабильности тока повышаются, и потому возникает необходимость в более продвинутых устройствах, поэтичный образ которых я нарисовал выше. Все они строятся по одинаковой идеологии – в них имеется регулирующий элемент, контролируемый обратной связью по току.

Стабилизаторы тока разделяются на два типа – линейные и импульсные. Линейные схемы – родственники резистора (сам резистор и его аналоги также относятся к этому классу). Особого выигрыша в КПД они обычно не дают, зато повышают качество стабилизации тока. Импульсные схемы являют собой наилучшее решение, однако они сложнее и дороже.

Давайте теперь кратко пробежимся по тому, что в наши дни можно увидеть внутри светодиодных ламп или рядом с ними.

1. Конденсаторный балласт

Конденсаторный балласт являет собой развитие идеи насчет включения сопротивления последовательно со светодиодом. В принципе, светодиод можно подключить в розетку прямо так:

Встречновключенный диод необходим для того, чтобы не допустить пробоя светодиода в момент, когда сетевое напряжение сменит полярность – я уже упоминал, что светодиодов с допустимым обратным напряжением в сотни вольт не встречается. В принципе, вместо обратного диода можно поставить еще один светодиод.

Номинал резистора в схеме выше рассчитан для тока светодиода около 10 – 15 мА. Поскольку напряжение сети гораздо больше падения на диодах, последнее можно не учитывать и считать прямо по закону Ома: 220/20000 ~ 11 мА. Можно подставить пиковое значение (311 В) и убедиться, что даже в предельном случае ток диода не превысит 20 мА. Все выходит замечательно, кроме того, что на резисторе будет рассеиваться мощность около 2.5 Вт, а на светодиоде – около 40 мВт. Таким образом, КПД системы составляет порядка 1.5% (в случае одного светодиода будет еще меньше).

Идея рассматриваемого метода заключается в том, чтобы заменить резистор конденсатором, ведь известно, что в цепях переменного тока реактивные элементы обладают способностью ограничивать ток. Кстати, использовать дроссель тоже можно, более того, так делают в классических электромагнитных балластах для люминесцентных ламп.

Считая по формуле из учебника , легко получить, что в нашем случае требуется конденсатор емкостью 0.2 мкФ, либо катушка индуктивностью около 60 Гн. Здесь становится ясно, почему в подобных балластах светодиодных ламп никогда не встречаются дроссели – катушка такой индуктивности представляет собой серьезное и дорогое сооружение, а вот конденсатор на 0.2 мкФ добыть гораздо проще. Разумеется, он должен быть рассчитан на пиковое сетевое напряжение, причем лучше с запасом. На практике применяются конденсаторы с рабочим напряжением не менее 400 В. Немного дополнив схему, получаем то, что уже видели в предыдущей статье.

Лирическое отступление

«Микрофарад» сокращется именно как «мкФ». Я останавливаюсь на этом потому, что достаточно часто вижу людей, пишущих в этом контексте «мФ», в то время как последнее - сокращение от «миллифарад», то есть 1000 мкФ. По-английски «микрофарад», опять же, пишется отнюдь не как «mkF», но, напротив, «uF». Это потому, что буква «u» напоминает букву "μ" с оторванным хвостиком.

Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF , и никак иначе!

Кроме того, «Фарад» - мужского рода , так как назван в честь великого физика-мужчины. Так что, «четыре микрофарада», но не «четыре микрофарады»!

Как я уже говорил, преимущество у такого балласта только одно – простота и дешевизна. Подобно балласту с резистором, здесь обеспечивается не слишком хорошая стабилизация тока, и, что еще хуже, присутствует значительная реактивная составляющая, что не особо хорошо для сети (особенно при заметных мощностях). Кроме того, при увеличении желаемого тока будет расти необходимая емкость конденсатора. Например, если мы хотим включить одноваттный светодиод, работающий при токе 350 мА, нам потребуется конденсатор емкостью около 5 мкФ, рассчитанный на напряжение 400 В. Это уже дороже, больше по габаритам и сложнее в конструкционном плане. С подавлением пульсаций здесь тоже все непросто. В целом можно сказать, что конденсаторный балласт простителен только для небольших ламп-маячков, не более того.

2. Бестрансформаторная понижающая топология

Это схемотехническое решение относится к семейству бестрансформаторных преобразователей, включающему в себя понижающую, повышающую и инвертирующую топологии. Кроме того, к бестрансформаторным преобразователям также относится SEPIC , преобразователь Чука и другая экзотика, вроде переключаемых конденсаторов. В принципе, драйвер светодиодов можно построить на основе любой из них, однако на практике в этом качестве они встречаются гораздо реже (хотя повышающая топология применяется, например, во многих фонариках).

Один из вариантов драйвера на основе бестрансформаторной понижающей топологии приведен на рисунке ниже.

В живой природе такое включение можно наблюдать на примере ZXLD1474 или варианта включения ZXSC310 (которая в исходной схеме включения, кстати, как раз повышающий преобразователь).

Здесь светодиод включается последовательно с катушкой. Схема управления отслеживает ток с помошью измерительного резистора R1 и управляет ключом T1. Если ток через светодиод падает ниже заданного минимума, транзистор открывается, и катушка с включенным последовательно с ней светодиодом оказывается подключенной к источнику питания. Ток в катушке начинает линейно нарастать (красный участок на графике), диод D1 в это время заперт. Как только схема управления регистрирует достижение током заданного максимума, ключ закрывается. В соответствии с первым законом коммутации катушка стремится поддержать ток в цепи за счет энергии, накопленной в магнитном поле. В этот момент ток протекает через диод D1. Энергия поля катушки расходуется, сила тока линейно убывает (зеленый участок на графике). Когда ток падает ниже заданного минимума, схема управления регистрирует это и снова открывает транзистор, подкачивая энергию в систему – процесс повторяется. Таким образом, ток поддерживается в заданных пределах.

Отличительная особенность понижающей топологии – возможность сделать пульсации светового потока сколь угодно малыми, поскольку в таком включении ток через светодиод никогда не прерывается. Путь приближения к идеалу лежит через увеличение индуктивности и повышение частоты коммутации (сегодня существуют преобразователи с рабочими частотами до нескольких мегагерц).

На основе такой топологии был сделан драйвер лампы Gauss, рассмотренной в предыдущей статье.

Недостатком метода является отсутствие гальванической развязки – когда транзистор открыт, схема оказывается напрямую соединенной с источником напряжения, в случае сетевых светодиодных ламп – с сетью, что может быть небезопасно.

3. Обратноходовый преобразователь

Несмотря на то, что обратноходовый преобразователь содержит нечто, похожее на трансформатор, в данном случае эту деталь правильнее называть двухобмоточным дросселем, поскольку ток никогда не течет через обе обмотки одновременно. В действительности по принципу действия обратноходовый преобразователь похож на бестрансформаторные топологии. Когда T1 открыт, ток в первичной обмотке нарастает, энергия в запасается в магнитном поле; при этом полярность включения вторичной обмотки сознательно подбирается такой, чтобы диод D3 на этом этапе был закрыт и тока на вторичной стороне не текло. Ток нагрузки в этот момент поддерживает конденсатор С1. Когда T1 закрывается, полярность напряжения на вторичной обмотке становится обратной (поскольку производная тока в первичной обмотке меняет знак), D3 открывается и накопленная энергия передается на вторичную сторону. В смысле стабилизации тока все то же самое – схема управления анализирует падение напряжения на резисторе R1 и подстраивает временны е параметры так, чтобы ток через светодиоды оставался постоянным. Чаще всего обратноходовый преобразователь применяется при мощностях не более 50 Вт; далее он перестает быть целесообразным из-за возрастающих потерь и необходимых габаритов трансформатора-дросселя.

Надо сказать, что существуют варианты обратноходовых драйверов без оптоизолятора (например). Они полагаются на тот факт, что токи первичной и вторичной обмоток связаны, и при определенных оговорках можно ограничиться анализом тока первичной обмотки (или, чаще, отдельной вспомогательной обмотки) – это позволяет сэкономить на деталях и, соответственно, удешевить решение.

Обратноходовый преобразователь хорош тем, что он, во-первых, обеспечивает изоляцию вторичной части от сети (выше безопасность), а, во-вторых, позволяет относительно легко и дешево изготавливать лампы, совместимые со стандартными диммерами для ламп накаливания, а также устраивать коррекцию коэффициента мощности.

Лирическое отступление

Обратноходовый преобразователь называется так потому, что изначально подобный метод применялся для получения высокого напряжения в телевизорах на основе электронно-лучевых трубок. Источник высокого напряжения был схемотехнически объединен со схемой горизонтальной развертки, и импульс высокого напряжения получался во время обратного хода электронного луча.

Немного о пульсациях

Как уже было упомянуто, импульсные источники работают на достаточно высоких частотах (на практике – от 30 кГц, чаще около 100 кГц). Потому ясно, что сам по себе исправный драйвер не может быть источником большого коэффициента пульсаций – прежде всего потому, что на частотах выше 300 Гц этот параметр просто не нормируется, ну и, кроме того, высокочастотные пульсации в любом случае достаточно легко отфильтровать. Проблема заключается в сетевом напряжении.

Дело в том, что, разумеется, все перечисленные выше схемы (кроме схемы с гасящим конденсатором) работают от постоянного напряжения. Потому на входе любого электронного балласта прежде всего стоит выпрямитель и накопительный конденсатор. Предназначением последнего является питать балласт в те моменты, когда сетевое напряжение уходит ниже порога работы схемы. И здесь, увы, необходим компромисс – высоковольтные электролитические конденсаторы большой емкости, во-первых, стоят денег, а, во-вторых, занимают драгоценное место в корпусе лампы. Здесь же коренится причина проблем с коэффициентом мощности. Описанная схема с выпрямителем имеет неравномерное потребление тока. Это приводит к возникновению высших гармоник оного, что и является причиной ухудшения интересующего нас параметра. Причем чем лучше мы будем пытаться отфильтровать напряжение на входе балласта, тем более низкий коэффициент мощности мы получим, если не предпринимать отдельных усилий. Этим объясняется тот факт, что почти все лампы с низким коэффициентом пульсаций, которые мы видели, показывают очень посредственный коэффициент мощности, и наоборот (разумеется, введение активного корректора коэффициента мощности скажется на цене, потому на нем пока что предпочитают экономить). Добавить метки

За последние 10-20 лет количество бытовой электроники многократно выросло. Появилось огромное разнообразие электронных компонентов и готовых модулей. Возросли и требования к питанию, для многих требуется стабилизированное напряжение или стабильный ток.

Драйвер чаще всего используется как стабилизатор тока для светодиодов и зарядки автомобильных аккумуляторов. Такой источник теперь есть в каждой светодиодном прожекторе, лампе или светильнике. Рассмотрим все варианты стабилизации, начиная от старых и простых до самых эффективных и современных. Еще они называются , led driver.

1. Типы стабилизаторов
2. Популярные модели
3. Стабилизатор для светодиодов
4. Драйвер на 220 В
5. Стабилизатор тока, схема
6. LM317
7. Регулируемый стабилизатор тока
8. Цены в Китае

Типы стабилизаторов

Импульсные регулируемые постоянного тока

15 лет назад на первом курсе я сдавал зачёты по предмету «Источники питания» для радиоэлектронной аппаратуры. Начиная с тех пор и до сегодняшнего времени, самым народным и популярным остаётся микросхема LM317 и её аналоги, которая относится к классу линейных стабилизаторов.

На данный момент есть несколько видов стабилизаторов напряжения и тока:

линейные до 10А и входным напряжением до 40В;
импульсные с высоким входным напряжением, понижающие;
импульсные с низким входным напряжением, повышающие.

На импульсном ШИМ контроллере обычно от 3 до 7 ампер по характеристикам. В реальности зависит от системы охлаждения и КПД в конкретном режиме. Повышающий из низкого входного напряжения на выходе делает более высокое. Такой вариант используется для от блоков питания с малым количеством вольт. Например в автомобиле, когда из 12В надо сделать 19В или 45В. С понижающим проще, высокое снижается до нужного уровня.

Про все способы питания светодиодов читайте в статье « к 12 и 220В». Отдельно описаны схемы подключения от простейших за 20 руб до полноценных блоков с хорошим функционалом.

По функционалу они делятся на специализированные и универсальные. Универсальные модули обычно имеют 2 переменных сопротивления, для настройки Вольт и Ампер на выходе. Специализированные чаще всего не имеют построечных элементов и значения на выходе фиксированы. Среди специализированных, распространены стабилизаторы тока для светодиодов, схемы в большом количестве есть в интернете.

Стабилизатор для светодиодов

Сделать стабилизатор тока для светодиодов своими руками проще всего на LM317, требуется только рассчитать резистор для светодиода на онлайн калькуляторе. Питание можно использовать подручное, например:

блок питания от ноутбука на 19V;
от принтера на 24В и 32В;
от бытовой электроники на 12 вольт, 9V.

Преимущества такого преобразователя, это низкая цена, легко купить, минимум деталей, высокая надежность. Если схема стабилизатора тока сложнее, то собирать её своими руками становится не рационально. Если вы не радиолюбитель, то импульсный стабилизатор тока проще и быстрее купить. В дальнейшем его можно доработать до необходимых параметров. Подробнее вы можете узнать в разделе «Готовые модули».

Драйвер на 220 В

Если вас интересует драйвер для светодиода на 220в, то лучше его заказать или купить. Они имеют среднюю сложность изготовления, но настройка отнимет больше времени и потребуется опыт по наладке.

Светодиодный драйвер на 220 можно извлечь из неисправных светодиодных ламп, светильников и прожекторов, у которых неисправна цепь со светодиодами. К тому же практически любой имеющийся драйвер можно доработать. Для этого узнайте модель ШИМ контроллера, на котором собран преобразователь. Обычно параметры на выходе задаются резистором или несколькими. По даташиту (datasheet) посмотрите, какое сопротивление должно быть, чтобы получить нужные Амперы.

Если поставить регулируемый резистор рассчитанного номинала, то количество Ампер на выходе будет настраиваемым. Только не превышайте номинальную мощность, которая была указана.

Стабилизатор тока, схема

Мне приходится часто просматривать ассортимент на Aliexpress в поисках недорогих но качественных модулей. Разница по стоимости может быть в 2-3 раза, время уходит на поиск минимальной цены. Но благодаря этому делаю заказ на 2-3 штуки для тестов. Покупаю для обзоров и консультаций производителей, которые покупают комплектующие в Китае.

В июне 2016 года оптимальным выбором стал универсальный модуль на XL4015, цена которого 110руб с бесплатной доставкой. Его характеристики подходят для подключения мощных светодиодов до 100 Ватт.

Схема в режиме драйвера.

В стандартном варианте корпус XL4015 припаян к плате, которая служит радиатором. Для улучшения охлаждения на корпус XL4015 надо поставить радиатор. Большинство ставят его сверху, но эффективность такой установки низкая. Лучше систему охлаждения ставить снизу платы, напротив места пайки микросхемы. В идеале её лучше отпаять и поставить на полноценный радиатор через термопасту. Ножки скорее всего придется удлинить проводами. Если потребуется такое серьезное охлаждение контроллеру, то оно потребуется и диоду Шотки. Его тоже придётся поставить на радиатор. Такая доработка значительно повысит надежность всей схемы.

В основном модули не имеют защиты от неправильной подачи питания. Это моментально выводит их из строя, будьте внимательны.

LM317

Применение (крен) даже не требует каких либо навыков и знаний по электронике. Количество внешних элементов в схемах минимально, поэтому это доступный вариант для любого. Её цена очень низкая, возможности и применение многократно испытаны и проверены. Только она требует хорошего охлаждения, это её основной недостаток. Единственное стоит опасаться низкокачественных китайских микросхем ЛМ317, которые имеют параметры похуже.

Микросхемы линейной стабилизации из-за отсутствия лишних шумов на выходе, использовал для питания высококачественных ЦАП класса Hi-Fi и Hi-End. Для ЦАП огромную роль играет чистота питания, поэтому некоторые используют аккумуляторы для этого.

Максимальная сила для LM317 составляет 1,5 Ампера. Для увеличения количества ампер можно добавить в схему полевой транзистор или обычный. На выходе можно будет получить до 10А, задаётся низкоомным сопротивлением. На данной схеме основную нагрузку на себя берёт транзистор КТ825.

Другой способ, это поставить аналог с более высокими техническими характеристиками на большую систему охлаждения.

Регулируемый стабилизатор тока

Меня как радиолюбителя со стажем 20 лет радует ассортимент продаваемых готовых блоков и модулей. Сейчас из готовых блоков можно собрать любое устройство за минимальное время.

Я начал терять доверие к китайской продукции, после того, как у видел в «Танковом биатлоне», как у лучшего китайского танка отпало колесо.

Лидером по ассортименту блоков питания, преобразователей тока DC-DC, драйверов стали китайские интернет-магазины. У них в свободной продаже можно найти практически любые модули, если поискать получше, то и очень узкоспециализированные. Например за 10.000 т.руб можно собрать спектрометр стоимостью 100.000 руб. Где 90% цены это накрутка за бренд и немного доработанный китайский софт.

Цена начинается от 35руб. за DC-DC преобразователь напряжения, драйвер подороже и отличается двумя тремя подстроечными резисторами, вместо одного.

Для более универсального использования лучше подходит регулируемый драйвер. Основное отличие, это установка переменного резистора в цепи, задающей амперы на выходе. Эти характеристики могут быть указаны в типовых схемах включения в спецификациях на микросхему, даташит, datasheet.

Слабые места таких драйверов, это нагрев дросселя и диода Шотки. В зависимости от модели ШИМ контроллера, они выдерживают то 1А до 3А без дополнительного охлаждения микросхемы. Если выше 3А, то требуется охлаждение ШИМ и мощного диода Шотки. Дроссель перематывают более толстым проводом или заменяют на подходящий.

КПД зависит от режима работы, разницы напряжения между входом и выходом. Чем выше коэффициент полезного действия, тем ниже нагрев стабилизатора.

Цены в Китае

Стоимость очень низкая, с учетом того, что доставка включена в цену. Раньше я думал, что из-за товара за 30-50 руб китайцы даже и мараться не будут, много работы при малом доходе. Но как показала практика, я ошибался. Любую копеечную ерунду они упаковывают и отсылают. Приходит в 98% случаев, а закупаю на Aliexpress уже более 7 лет и на большие суммы, наверное уже около 1 млн руб.

Поэтому оформляю заказ заранее, обычно 2-3 штуки одного наименования. Ненужное распродаю на местном форуме или Авито, всё расходится как горячие пирожки.